葉片生產車間MES的研究與開發

鄒強強，石宇強

ZOU Qiang-qiang, SHI Yu-qiang

（西南科技大學 制造科學與工程學院，綿陽 621010）

0 引言

為了滿足客戶的個性化需求，企業往往對各類產品作一定備量的庫存來滿足客戶的需求。傳統的推式生產方式也是造成庫存量過大的另一個重要因素，過多的庫存，會產生過多的質量隱患，往往是既增加了企業成本，又滿足不了客戶的需求，還會降低客戶的滿意度。目前企業車間還存在系統響應速度慢、數據冗余管理混亂等問題，嚴重制約車間的生產進度。精益生產作為當前制造業公認的先進的管理理念，是降低企業庫存、減少企業成本提高生產效率的有效手段，在推行精益生產的基礎上對車間進行MES系統建設是解決上述問題的有力途徑。

某生產車間主要生產加工汽輪機葉片，屬于典型的多品種、小批量生產方式，目前車間存在如庫存積壓、車間系統操作繁瑣、產品質量無法追溯等多種問題。現在公司推行精益生產的同時，對車間進行MES建設，車間MES系統是基于B/S模式，.NET作為開發環境，Visual Studio 2010作為開發工具，SQL Server 2008作為后臺數據庫開發完成的。

1 MES系統的研發

1.1 MES系統模型

葉片生產車間MES系統模型符合AMR三層模型標準如圖1所示，車間MES系統主要包括生產信息管理、標準化管理、看板管理、自動化、生產追蹤、生產歷史資料以及數據采集這七個子系統如圖2所示。MES系統向上與ERP系統集成，獲取物料、工藝路線、生產訂單等相關信息執行生產，同時將生產信息與質量信息及時反饋回ERP系統；向下與不同類型的設備進行系統集成，并通過二維碼數據采集技術對加工物料進行管理，從而高效的指導車間的生產加工。

圖1 MES系統模型

圖2 MES功能結構

1.2 MES設備集成構架

葉片生產車間設備集成采用OPC方式，設備集成構架如圖3所示。針對車間不同類型的設備，分別采用不同的解決方案：對于CNC設備需要在設備系統平臺上安裝OPC SERVER，設備系統要求對OPC SERVER開放接口與OPC SERVER連接；對于控制器為PLC及智能控制（支持工業Modbus通訊協議）的設備，要求在設備外部搭建服務器電腦，與設備組網連接并在服務器電腦上安裝OPC SERVER，由OPC SERVER提供OLE自動化標準接口直接與PCO連接，MES通過PCO獲取設備相關數據，監控設備。

圖3 MES設備集成構架

2 MES系統中的精益模塊

2.1 看板管理

看板在作業現場的作用就是向作業人員下達生產或者搬運的指令，通過看板作業人員和管理人員能夠全面掌握生產順序和搬運情況。MES系統中的看板管理主要包括機床任務下達，生產調度以及物料轉運三個子模塊。其中機床任務下達模塊是指導生產車間將從ERP接收的生產訂單下達到工藝路線的最后一道工序，然后按照工藝路線從后工序向前工序依次下達生產任務，實現推拉結合的生產方式如圖4所示，圖5為后工位向前工位下達任務的界面。

圖4 推拉結合

圖5 推送任務

2.2 自動化

異常管理作為自動化中比較重要的組成部分，主要是指在生產現場當中出現的錯誤、突發和失控情況時，做出的一系列的應對措施和管理手段。MES系統當中的自動化模塊主要包括設備異常管理和不合格提示兩個子模塊，其中設備異常管理主要是對設備的加工狀態的實時監控，當設備出現故障或者異常時，在電子地圖當中會顯示設備異常的提示，設備維修部門會及時做出處理。不合格提示是指在生產加工過程中出現不合格品時，員工通過MES系統的不合格提交如圖6所示及時通知質檢部門做出處理。除了通過電子看板的形式顯示異常狀況，一線員工還可以通過MES系統發送手機短信和電子郵件與相關部門進行及時的溝通。

圖6 不合格提交

2.3 標準化

MES系統標準化模塊包括標準工時管理和作業指導書（SOP）兩個子模塊。標準工時模塊主要是對員工生產加工的工時統計和員工生產期量的確定，它的使用者是IE工程師，IE工程師通過在標準工時面板中記錄加工時間和裝卸時間，減去了繁瑣的數據統計與數據處理工作，直接將標準工時錄入系統，從而進一步提高了工作效率。標準工時的觀測次數采用d2值法，式(1)為觀測次數的計算公式，其中R表示極差，d2是與觀測次數n有關的系數。圖7為確定觀測次數界面，觀測次數確定好之后就可以開始進行正式的工時統計，經過數據的處理以及疲勞時間的確定就能最終得出標準時間。圖8為標準作業指導書（SOP）的編輯界面，IE工程師可以在MES系統中直接編輯、上傳和管理標準作業指導書（SOP）。

圖7 確定觀測次數

圖8 SOP編輯界面

3 葉片生產車間MES系統的其他優點

3.1 二維碼數據采集技術

二維碼是指用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面分布的黑白相間的圖形，記錄產品數據信息的技術。葉片生產車間MES系統采用二維碼數據采集技術，主要起到數據采集與生產追蹤的作用。選取二維碼采集數據是由于葉片特殊的加工環境決定的，同時二維碼技術也有其自身的優勢。與一維條碼相比，二維碼具有存儲信息量大，糾錯能力強等優勢，與RFID技術相比它有價格更加低廉等優點。這足以說明在很長的一段時間，RFID技術仍然無法完全取代條碼技術，兩種技術仍舊會共同被人們所使用。Data Matrix碼作為二維碼的一種，是一種在國際制造領域廣泛被使用的二維碼。它是一種可以直接標記在產品或零部件表面的編碼。圖9是標刻有Data Matrix碼的葉片。

3.2 MES給葉片車間生產管理帶來的提升

1）生產現場采用無紙化作業模式。取消了繁瑣的單據填寫，不合格品、加工尺寸、工藝卡片的查看等所有操作均通過人機交互終端完成；2）可視化、精細化的在制管理模式。每個工位的生產完成情況以及不良品情況能實時反饋在生產訂單上；3）構建產品生產全過程追溯體系。從毛坯標刻到完工入庫的全過程均對葉片做到全過程管理；4）質量信息全息追溯管理。生產現場通過二維碼對葉片做唯一標識，并對葉片的加工、設備、人員進行實時記錄，MES系統實時統計匯總質量信息；5）及時、準確、高效的現場數據響應。葉片按照工藝路線流動，每個工位在制品信息都一目了然，并能實時且自動反饋在制品數量到ERP系統，為生產計劃變更提供可靠支撐；6）監控設備、及時發現問題、及時處理。可以實時將設備的工作狀態反饋給責任人與管理者，已達到及時處理的目的。

圖9 葉片二維碼標識

4 結論

本文以某公司葉片生產加工車間為研究對象，根據車間現有的生產現狀研發出了MES系統。該系統采用推拉結合的生產方式執行生產任務，彌補了傳統MES單一接收生產任務的生產不靈活的缺點，減少不必要的庫存浪費。在工序加工過程中采用拉式生產的生產方式使得生產執行更加高效，同時將看板管理、異常管理、標準化管理等精益生產理念很好地嵌入到MES系統當中，為企業能更好的實現精益生產提供了更穩定的平臺。

[1] 劉樹華,魯建廈,王家堯.精益生產[M].北京：機械工程出版社,2009.

[2] 易樹平,郭伏.基礎工業工程[M].北京：機械工程出版社,2007.

[3] 中國物品編碼中心.二維條碼技術與應用[M].北京：中國計量出版社,2007.

[4] 高紅花.基于精益生產的標準作業研究[J].機械工業標準化與質量,2006,12.

[5] 唐煒.推拉結合生產方式在精益型制造執行系統中的應用[D].復旦大學,2009.

[6] 張洪量.離散制造企業精益生產實施能力研究[D].天津大學,2010.

[7] 張雅蕊,陳恩湖,黃書校.鋁車間推拉結合方式探討[J].企業科技與發展,2013,2.

[8] 潘春榮,黃學佳,陳洪波.秒表法在工時定額中的應用[J].機械設計與制造,2012,11.